飞行器和使飞行器稳定的方法与流程

本发明涉及一种飞行器。本发明还涉及一种飞行器使用的方法。

这种飞行器或方法使得可以稳定经受风变化(诸如阵风或湍流)的飞行器。本发明的领域更具体地但非限制性地是比空气轻的飞行器。

背景技术：

在湍流的环境中的飞行稳定性(特别是对于提高乘客的舒适度)是航空领域中重复出现的话题。

对阵风的检测和预测是保持飞行器飞行计划的基本要素。对于比空气轻的飞行器来说，考虑到其大的风阻以及由于其惯性而相对低的机动性，这更为重要。

从现有技术中已知用于针对飞行器来检测或预测这种阵风的几种解决方案：

-“领航”技术，其基于飞行员按照驾驶舱内显示的所捕获的信息的动作，

-“警告”技术，其基于检测湍流以能够警告乘客进入湍流区，

-“吸收”技术，其基于机械系统(阵风吸收器)使得可以稳定飞行。

出现了若干问题：

-反应时间：相对于突然发生的暴风或阵风或湍流(特别是对于“领航”技术)，反应时间太长，

-悬停飞行或飞行方向：某些技术(尤其是“吸收”技术)在悬停飞行中通常不起作用，而仅在高速巡航飞行中有效，而且它们的运行仅使飞行方向上的稳定成为可能，

-在悬停飞行中变得危险：在悬停飞行的装载/卸载阶段，比空气轻的飞行器极易受到湍流风的影响。阵风的影响实际上能够产生严重的不稳定性，在极端情况下该不稳定性会导致危害到比空气轻的飞行器。

-悬停飞行的精确度：在定位负载的情况下，悬停飞行的精确度能够是非常重要的。阵风能够引起这种精确度的显著恶化，从而损害其运行能力。

本发明的目的是解决上述问题或缺点中的至少一个。

技术实现要素：

利用一种飞行器来实现该目的，所述飞行器包括：

-至少一个传感器，其被布置以测量风，

-致动器，

-飞行器中的机载数据库，数据库将不同的风测量值与用于致动器的不同指令相关联，

-分析和控制装置，其被布置和/或被编程以便：

o接收源自至少一个传感器的风测量值，

o在数据库内搜索与源自至少一个传感器的风测量值的匹配，并且根据该搜索确定要发送到致动器的指令，

o将这些所确定的指令发送到致动器。

优选地布置至少一个传感器，以便以至少0.1hz(优选至少1hz)的测量频率测量风。分析和控制装置优选被布置或被编程以便以至少0.1hz(优选至少1hz)的频率确定要被发送到致动器的指令。

根据本发明的飞行器被优选地布置以执行悬停飞行。

根据本发明的飞行器优选地由比空气轻的飞行器组成。

至少一个传感器被优选地布置以远程测量风。

风测量值能够包括：

-风的幅度或幅度的变化，和/或

-风的起源或方向，或风的起源或方向的变化。

分析和控制装置能够被布置或被编程以便在无需操作人员进行验证或批准步骤的情况下，将指令直接发送到致动器。

根据本发明的飞行器还能够包括用于测量所确定的随后发送到致动器的指令对飞行器的位置的影响的装置。在这种情况下，分析和控制装置还能够被布置或被编程以根据所测量的影响修改数据库。

致动器能够包括飞行器的推进装置和/或飞行器的操纵面。

至少一个传感器被优选地布置，以便测量几个方向上或来自几个起源的风。

根据本发明的另一方面，提出了一种用于使飞行器稳定(优选用于根据本发明的飞行器中)的方法，包括：

-通过飞行器的至少一个传感器测量风，

-通过飞行器中的机载分析和控制装置进行分析和控制，包括：

o接收源自至少一个传感器的风测量值，

o在飞行器上的机载数据库内，搜索与源自至少一个传感器的风测量值的匹配，该数据库将不同的风测量值与用于飞行器的致动器的不同指令相关联，

o根据该搜索确定要发送到致动器的指令，

o将这些所确定的指令发送到致动器。

至少一个传感器优选以至少0.1hz(优选至少1hz)的测量频率测量风。分析和控制装置优选以至少0.1hz(优选至少1hz)的频率确定要发送到致动器的指令。

在根据本发明的该方法过程中，飞行器能够执行悬停飞行。

根据本发明的飞行器优选是比空气轻的飞行器。

至少一个传感器优选地远程测量风。

风测量值能够包括：

-风的幅度或幅度的变化，和/或

-风的起源或方向，或风的起源或方向的变化。

分析和控制装置优选地在没有操作人员进行验证或批准步骤的情况下，将指令直接发送到致动器。

根据本发明的方法还能够包括测量所确定的随后发送到致动器的指令对飞行器的位置的影响。在这种情况下，根据本发明的方法还能够包括分析和控制装置根据所测量的影响来修改数据库。

致动器能够包括飞行器的推进装置和/或飞行器的操纵面。

至少一个传感器能够测量几个方向上或来自几个起源的风。

附图说明和具体实施方式

通过对绝非限制性的实施例和应用以及附图的详细描述进行查阅，本发明的其他优点和特征将变得显而易见，其中：

-图1a是根据本发明的飞行器1的第一实施例的示意性俯视图，

-图1b是根据本发明的飞行器1的第一实施例的示意性侧视图，

-图2是根据本发明的飞行器1的示意性俯视图，其中阵风3正朝着该飞行器行进，

-图3是根据本发明的飞行器1的示意性俯视图，其中该飞行器1补偿阵风3的影响，

-图4是在飞行器1中使用的根据本发明的方法的示意图。

由于这些实施例绝非限制性的，所以能够考虑本发明的变型，其仅仅包括下文中所描述的或所示出的特征的选择，如果该特征的选择足以赋予技术优势或者使本发明区别于现有技术，则独立于所描述的或所示出的其他特征(即使该选择在包括这些其他特征的措词中独立出来)。如果该部分单独足以赋予技术优势或者使本发明区别于现有技术，则该选择包括至少一个没有结构细节的和/或仅具有一部分结构细节的(优选功能)特征。

首先，将参照图1a、1b、2、3和4来描述根据本发明的飞行器1的第一实施例。

在本说明书中，术语“飞行器”表示能够通过飞行来移动的任何(人员或货物的)运输工具。

布置飞行器1以进行悬停飞行。这被理解为，飞行器1能够相对于地面(在没有风的情况下)在固定位置飞行，如飞船或直升机那样。

更特别地，飞行器1由比空气轻的飞行器组成。

在本说明书中，术语“比空气轻的飞行器”是其升力由浮力提供(不像比空气重的飞行器)的飞行器，诸如具有气球吊篮的气球或飞船。

比空气轻的飞行器1(一种通过比其周围环境空气轻的气体来保证其升力的运载工具，即气球或飞船)是用来运送负载的飞船。

在这个非限制性示例中，所使用的比空气轻的飞行器1是长度为70m的飞船，并且具有体积为6000m³的氦气。比空气轻的飞行器1借助于四个发动机41(电动机或热机)水平地移动，其中所述四个发动机41以90°的间隔围绕比空气轻的飞行器1圆周分布(优选地在平行于图1a、图2和图3的平面的基本水平的平面中)，比空气轻的飞行器1包括：

-具有可逆的推进方向的两个前置/后置发动机41、411，以及

-两个横置发动机41、412，它们是可转向的或可定向的(既可用于向上或向下的竖直推进，又可用于向前或向后的水平推进)并且还具有可逆的推进方向。

发动机41例如是具有单个功率p＝160kw，sma参考为fr305-230e的热机，该热机配备有一对反转螺旋桨。

为了确保所运送的负载的足够准确的定位，飞行器1配备有飞行器1的主动飞行稳定系统(包括下文中描述的装置2、4、5和6)，其在湍流环境和悬停飞行中是有效的。稳定系统使得可以基于遥感风测量(速度和强度)来预测飞行器1在所有方向上的行为响应，并且因此操作致动器4以确保其稳定性。

飞行器1包括被布置以测量风3的至少一个传感器2。风3在本说明书中表示(优选地朝向飞行器1的)任何空气流动，优选地包括一个或多个湍流和/或一个或多个阵风和/或一个或多个暴风。

布置至少一个传感器2以远程测量风3(通过传输信号22)，即在该风3接触到飞行器1之前。因此，每个传感器2能够包括一个或多个lidar(lightdetectionandranging，激光探测和测距)装置(基于对反射回其发射器的光束的特性进行分析的远程测量技术)和/或一个或多个sodar(sonicdetectionandranging，音波探测和测距)装置(使用声波来测量风速和风向的传感器)。

传感器2被一起布置以便测量几个方向上或来自几个起源的风3。更确切地说，测量传感器2被布置以捕获围绕飞行器1的所有方向上的信息，以检测阵风3。

所述至少一个传感器2包括几个传感器2(至少四个，优选至少六个传感器2)。图中所示的实施例包括六个传感器2。

在这些(六个)传感器中，几个(四个，参见图1a)传感器2分布在同一个水平面中(水平面被定义为垂直于竖直方向，即重力的方向)。

在这些(六个)传感器中，几个(四个，参见图1b)传感器2分布在同一个竖直平面中。

在图中所示的示例中，比空气轻的飞行器1配备有几个lidar类型(脉冲激光，波长λ＝1.54μm)的传感器2，使得可以在所有水平方向上测量风3的速度。为此，测量线(例如24个)被设置在比空气轻的飞行器1的圆周上。布置每个传感器2，以便在距离比空气轻的飞行器1的40m和400m之间的位置处利用10或20m的距离门测量风3的速度(相当于每束进行10次同步测量)。竖直的风测量(例如来自配备有四束激光的传感器2)使得可以提高测量精度。例如，每个机载lidar2是风虹状物。每个传感器2包括至少两条测量线，使得可以测量风速的两个坐标。在本实施例中，每个传感器2包括四条测量线，使得可以测量第三个风速坐标。飞行器1包括至少六个lidar传感器，即至少24个测量线。

布置至少一个传感器2，以便以至少0.1hz(优选至少1hz)的测量频率测量风3。

飞行器1包括致动器4，致动器4被布置以根据由这些致动器4所接收到的指令来更改飞行中的飞行器1的位置。

致动器4包括推进装置(发动机41)和操纵面42。

该实施例包括四个发动机41和四个操纵面42。

操纵面42是可移动的装置，其可以产生或控制飞行器1的运动，例如飞行器1的迎角或侧滑角。

这些致动器4能够专用于根据本发明的稳定系统，也能够不专用于根据本发明的稳定系统。

飞行器1包括在飞行器1中的机载计算机化的和/或电子数据库6。数据库6使不同的风测量值与用于致动器4的不同指令相关联。提供这些指令以补偿风3对飞行器1的影响，其中风3具有与数据库6中这些指令相关联的测量值。

-该数据库6由以下构成：

-空气动力学计算，其模拟几个风测量值对飞行器1的影响，并且计算要发送到致动器4的理论指令以补偿这些影响，和/或

-经验数据(例如在飞行器1上的风洞中获得，或者通过在实体模型上的流体动力学测试或通过对飞行中的飞行器1的测试或通过数字模拟而获得)，其通过使飞行器1经受不同值的风3，并且通过测试发送到致动器4的不同指令直到该风3的影响得到令人满意的补偿而获得。

数据库6包括计算机和/或中央处理或计算单元，和/或(优选专用的)模拟电子电路和/或(优选专用的)数字电子电路和/或(优选专用的)微处理器，和/或软件装置。在本实施例中，数据库6存储在下文描述的计算器5中的闪速存储器上。该数据库6通常是查找表的形式，例如“csv”类型的格式。

飞行器1包括分析和控制装置5(也称为“计算器”5)。

分析和控制装置5包括计算机和/或中央处理或计算单元，和/或(优选专用的)模拟电子电路和/或(优选专用的)数字电子电路和/或(优选专用的)微处理器，和/或软件装置。

如将在下文中看到的，分析和控制装置5被布置(例如通过包括专用的电子卡)和/或更确切来说被编程(例如通过包括软件装置)以执行某些功能或操作或控制或计算等。

如将在下文中看到的，飞行器1所使用的根据本发明的方法的步骤中的每个步骤不是以纯抽象的或纯智力的方式执行的，而是

-自动执行(不包括所有人为干预)，并且

-涉及使用至少一种技术手段。

布置和/或编程分析和控制装置5以便：

o接收源自至少一个传感器2的风3的测量值，

o在数据库6内搜索源自至少一个传感器2的这些风测量值的匹配，

o根据该搜索的结果确定要发送到致动器4的指令，并且

o将这些确定的指令发送到致动器4(计算器5发送控制发动机41和操纵面42的指令)。

风测量值通常包括(优选地针对围绕飞行器1的空间中的几个点的每个点)：

-风3的幅度中(在阵风3的情况下)的至少一个幅度或至少一个变化，每个幅度通常为风速或强度。因此，至少一个幅度(中的变化)能够包括风3的局部速度(中的变化)和风3的朝向飞行器1的接近速度(中的变化)：应当理解为，例如在龙卷风的情况下，龙卷风内的局部风速能够非常高，但该龙卷风能够具有相对于飞行器1的固定位置(并且从而接近速度为零)，以及

-风3的至少一个起源(例如相对于飞行器1的风3的位置，和/或已经检测到该风3的传感器2的数量)和/或方向(或者在风3的起源或方向上的至少一个变化)。因此，至少一个方向(中的变化)能够包括风3的速度矢量的局部方向(中的变化)和风3的朝向飞行器1的接近方向(中的变化)：应当理解为，例如在龙卷风的情况下，龙卷风内的局部风速能够具有围绕龙卷风中心的转动方向，但该龙卷风能够具有相对于飞行器1的固定位置(并且从而没有接近方向)；

-以及该风3相对于飞行器1的可选择的距离。

分析和控制装置5也被布置和/或编程，以便将源自至少一个传感器2的测量值转换成数据库6中采用(或与之兼容)的格式(即将测量信息转换成已知的或能够由数据库6使用的数据)。

通常，(由计算器5执行的)该转换包括基于来自传感器2中的几个传感器的单独测量来重建风场(例如具有10个测量点的24束激光，即以1hz每秒测量240个点)。在每次测量(以1hz每秒一次测量)时，对这些点进行插值以便重建表示风3在飞行器1周围的空间中的方向和速度的三维矢量场。

分析和控制装置5被布置和/或被编程以便在无需操作人员(例如飞行器1的飞行员)的确认或批准步骤的情况下，将指令直接发送到致动器4。

因此，每个传感器2连接到专用于稳定系统的机载计算器5。传感器2和计算器5之间的通信协议将优选地基于can(controllerareanetwork，控制器局域网络)系统，该系统是串行总线系统，由于其可靠性而适用于实时机载系统。该系统分析源于传感器2的数据以识别干扰。然后将这些干扰与预先建立的数据库6进行比较。数据库6被存储在计算器5的存储器中。数据库6的数据为每个“情况”(即风3的速度和风向)定义或关联响应策略，即用于致动器4的指令。必要时，也能够在选择响应策略时考虑一定数量的外部数据项，诸如：

-飞行数据，诸如ias数据(用于“瞬时空气速度”或空气或风的瞬时速度)、igs数据(用于“瞬时地面速度”或飞行器1相对于地面的瞬时速度)，

-系统数据(发动机、螺旋桨、...)，

-gps位置数据；

-环境数据，诸如飞行器周围的地形、温度、湿度等。

为了执行这些操作，计算器5具有通常对应于3.10ghz时钟频率的xeone3-1220cpu的计算能力和至少2gb内存的存储容量。例如，该算法(其比较由传感器2捕获的值和源自数据库6的数据)在labview环境或c语言中产生。

分析和控制装置5被布置或编程以便以至少0.1hz(优选至少1hz)的频率确定要被发送到致动器4的指令。

飞行器1还包括用于测量随后发送到致动器4的所确定的指令对飞行器1的位置的影响的装置(未示出)；并且分析和控制装置5还被布置和/或编程以便在数据库6中根据所测量的影响更改与这些风测量值相关联的指令，以便通过包含在数据库6中的指令来提高对风的补偿。

为了测量这些影响，可以使用(利用惯性导航系统获得的)惯性数据以及gps数据，所有这些数据都被记录。

因此，飞行器1所使用的方法通常包括：

-由飞行器1的至少一个传感器2远程测量风3(图4中的步骤11)，或优选地远程测量在几个方向上或者来自几个起源的几个风(在图1a和1b中，几个传感器2均围绕飞行器1布置，并均围绕飞行器1进行测量；在图2中，由传感器2中的一个检测阵风3)，然后

-通过分析和控制装置5将源自至少一个传感器2的测量值转换成在数据库6中采用(或与之兼容)的格式(即将测量信息转换成已知的或能够由数据库6使用的数据)。通常，(由计算器5执行的)该转换包括基于来自传感器2中的几个传感器(例如具有10个测量点的24个波束，即以1hz每秒测量240个点)的单独测量来重建风场(即针对飞行器1周围空间的几个点表示风3的方向和速度的三维矢量场)。在每次测量(以1hz每秒测量)时，对这些点进行插值以重建该矢量场

-通过分析和控制装置5进行分析和控制，包括：

o接收源自至少一个传感器2的风3的测量值(图4中的步骤12)，然后

o在飞行器1中的机载数据库6内搜索(图4中的步骤13)源自至少一个传感器2的这些风测量值的匹配，然后

o根据该搜索的结果确定(图4中的步骤14)要发送到致动器4的指令(即计算器5通过将情况与数据库6进行比较来分析情况并且从而确定响应策略)，然后

o将这些确定的指令(经由飞行器1的飞行控制计算机8，也称为飞行指引仪)发送到致动器4(图4中的步骤15)，在没有由操作人员确认或批准的步骤的情况下，分析和控制装置5将指令直接发送到致动器4(风3的测量值由计算器5进行处理，并且图3示出了建立响应策略，以及运行致动器4以便在飞行器1上产生抵消或补偿阵风3对飞行器1的影响的矢量推力7)。

当飞机1进行移动或进行(或至少打算进行)悬停飞行时能够使用这些步骤中的每一个。

至少一个传感器2以至少0.1hz(优选至少1hz)的测量频率测量风3。分析和控制装置5以至少0.1hz(优选至少1hz)的控制频率确定要发送到致动器的指令。

该方法是连续使用的。为此，在测量频率(例如1hz的测量频率)下重复测量步骤以跟随风3的变化。在控制频率下重复分析和控制步骤。

在数据库6内搜索与源自至少一个传感器2的、被称为“测量值”的风测量值的匹配，是在数据库6内搜索称为“存储值”的风测量值，其中称为“存储值”的风测量值：

-存储在数据库6中，并且如前所解释的与用于致动器4的指令相关联，且

-匹配“测量的”风测量值：

-精确地(搜索结果匹配单个“场景”)或

o具有一定的误差范围，通常为测量的值的±1％，或者是所有存储的测量值中最接近的可能值(搜索结果匹配单个“场景”或几个非常相似的场景)。

在搜索步骤13包括对表示飞行器1周围空间中的风3的方向和速度的矢量的(源自至少一个传感器2的)三维“测量的”场与存储在数据库6中的一组场景(即所存储的值或所存储的表示飞行器1周围空间中的风3的方向和速度的三维矢量场)之间进行比较的情况下，搜索结果13通常匹配不同的非常相似的场景，并且确定步骤14将以存储在数据库6中并且与这些不同的场景相关联的几个指令的加权组合的形式，来为每个致动器4提供响应(尤其是当测量的风3在几个方向上包括几个阵风时)。

该方法还包括：

-测量(图4中未示出)发送到致动器4的关联指令对飞行器1的位置的影响，并且然后

-如果这些影响不令人满意(例如，在悬停飞行的情况下，通过将所测量的影响与飞行器1的位置稳定性阈值进行比较而获得“令人满意的”特征)，则由分析和控制装置5根据所测量的影响校正或修改(图4中未示出)数据库6。系统2、4、5和6记录所有的数据，并且因此能够进行校正或修改：

o在飞行器1的飞行期间(“在线”)进行校正或修改，在飞行期间测量这些数据，或者

o在飞行器1飞行之后(“离线”)进行校正或修改以便在维修期间对将要实施的数据库提出改进，其中在飞行期间测量这些数据。

因此，本发明通过预测来运行，即当面对给定的风3的场景时，飞行1相对于飞行动态的响应是预先已知的。结果产生系统相对于如果需要进行实时计算的情况具有更敏感的优点。此外，能够根据反馈改变响应。对每个响应进行分析，并且如果响应不令人满意，则系统2、4、5、6能够改变其策略。

当然，本发明不限于刚刚已经描述的示例，并且在没有超出本发明的范围的情况下，能够对这些示例进行许多修正。

例如，在一种变型中，传感器2的全部或一部分中的每个传感器能够由未被布置以远程测量风的传感器(例如皮托管和/或风速计)来替代，即其被布置以便仅当风与飞行器1接触时测量风。

此外，在“非自动”的(不太有利的)变型中，可以给飞行器1的飞行员1围绕飞行器1的高空环境的地图(该地图基于由至少一个传感器2测量的值来建立)，从而使他或她(例如利用将要采取选择的建议)相应自由地行动。

当然，如果本发明的不同特征、形式、变型和实施例不相互矛盾或不相互排斥，则它们能够以各种组合方式组合在一起。特别是，先前描述的所有变型和实施例能够组合在一起。